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왜 3D 낸드가 대세일까? 2D 비중 뛰어넘은 3D

입력 : 2018.09.05 08:29

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[첨단 헬로티]


메모리 반도체는 전체 반도체 분야 중에서 가장 성장 가능성이 높은 분야로 꼽히고 있다. 빅데이터로 인한 데이터센터 수 증가, 사물인터넷(IoT) 환경 고도화, 자율주행차와 스마트 공장 등이 개발됨에 따라 처리해야 하는 데이터 용량이 대폭 증가하면서 고용량, 고성능 메모리 반도체 수요가 더욱 상승했기 때문이다. 


메모리 반도체 중에서도 낸드 플래시(NAND)의 성장이 주목된다. 엔터프라이즈(서버/스토리지) SSD(Solid State Drive)의 수요가 증가하면 낸드 사용이 확대되면서 낸드 시장은 2015년 823억GB에서 2020년 5084억GB까지 확대되며 연평균 성장률이 44%에 달할 것으로 전망되고 있다(시장조사기관 IHS). 이처럼 대세로 떠오른 낸드의 시장 점유율을 확보하기 위해 반도체 업계는 보다 높은 성능을 구현하기 위한 새로운 공정, 새로운 소재, 그리고 패키지 디자인에 대한 기술을 개발했고, 그 결과 3D 낸드가 등장하게 됐다.


▲데이터센터


빠르게 증가하는 3D 낸드의 비중


현재 낸드 시장은 2D 낸드에서 3D 낸드로 빠르게 전환되고 있다. 전체 낸드 수요는 SSD(Solid State Driver) 48%, 스마트폰 32%, 기타(태블릿, 디지털카메라, USB)28% 순인데, 특히 SSD에서 모바일 PC와 데스크탑 PC용으로 3D 낸드를 가장 빠르게 채택함으로써 2018년 SSD 물량은 2017년 대비 48% 증가하고, 2016년부터 2021년까지 내장 SSD 규모는 연간 44% 증가할 것으로 예상된다. 좀 더 세부적으로 보면, 기업용 SSD 제품에서 3D 낸드 비중이 2015년 10%(수량 기준)이었지만 2018년 77%로 높아졌고, 소비자용 SSD도 같은 기간 동안 3%에서 60%로 확대됐다.


올해 스마트폰에 탑재되는 낸드 수요도 전년대비 15% 증가할 것으로 전망되고 있다. 스마트폰의 듀얼카메라 탑재로 인해 사진 및 동영상의 용량이 커지고, 게임의 고사양화 등으로 인해 고용량 낸드를 필요로 하고 있다. 따라서 애플(Apple)과 삼성전자도 소비자들에게 고용량 NAND를 선택하게 유도하기 위해 신모델 출시 때마다 고용량 모델을 추가하거나, 저용량 모델을 제외하고 있다.


애플은 아이폰 7시리즈에서 32/128/256GB로 용량을 3개로 구분했는데, 아이폰 8시리즈에서는 64/256GB로 변경했다. 이는 최저용량인 32GB를 없애고 64GB와 256GB 사이에 있어야 할 128GB를 제외시킨 것이다. 용량별 판매량이 동일하다고 가정하면 모델 1개에서 기대할 수 있는 평균 용량이 상승하게 된다. 또 2가지 모델에 용량에 차이를 두어 헤비유저(Heavy User)들을 256GB로 유도하기 위한 정책으로 판단된다. 실질적으로 용량별 판매비 중을 제외한 단순 평균 용량은 8시리즈가 7시리즈보다 15% 높다. 


삼성전자의 갤럭시 S9시리즈도 평균 용량이 전작대비 87% 상승했다. 갤럭시 또한 S7시리즈가 32/64/428GB 용량이었는데 S8시리즈에서 32GB를 없애고 64/128GB만 남겨뒀다. 최신 제품인 S9시리즈는 고용량을 하나 더 추가해 64/128/256GB 제품으로 출시하면서 낸드 용량이 확대 됐다. 


더불어 차량용 낸드 탑재량도 인포테인먼트를 중심으로 증가할 것으로 예상된다. 차량용 낸드는 2016년 기기 당 평균 6.2GB에서 2020년 84GB로 확대될 전망이다.


▲ 표 1. 삼성전자의 갤럭시 S시리즈 NAND 탑재량 비교 (단위: GB)


▲ 표 2. 애플의 아이폰 시리즈 NAND 탑재량 비교 (단위: GB)


3D 낸드가 혁신 기술로 주목 받는 이유는?


전원 공급이 없으면 정보를 모두 잃어버리는 휘발성 메모리 반도체인 D램(DRAM)과 달리, 낸드 플래시 메모리는 전원이 꺼지더라도 저장된 데이터를 보존하는 롬(ROM)의 장점과 손쉽게 데이터를 쓰고 지울 수 있는 램(RAM)의 장점을 동시에 지니는 비휘발성 메모리다. 낸드 플래시 메모리는 전력 소모가 적고 기존의 자기디스크에 비해 고속으로 읽기 및 쓰기가 가능하다. 


이러한 특징으로 인해 낸드 플래시는 디지털 카메라, 스마트폰, 휴대전화, USB 드라이브 등의 다양한 휴대용 기기와 SSD(Solid State Drive)에 널리 사용됐다. 


그러나 낸드 플래시는 램이나 하드 디스크와 같이 제자리 덮어쓰기(In-place update)가 불가능하고 읽기/쓰기와 삭제 연산의 단위가 다르기 때문에 이를 처리하기 위한 부가적인 연산이 필요하다. 이게 가장 큰 한계점으로 꼽히는 부분이기도 하다. 


물론 SSD는 기존의 하드디스크에 비하면 1천배 이상 접근 속도가 빠르지만 그 안에는 적지 않은 성능 손실이 있다. 또한 메모리 셀에는 수명이 있는데 셀 하나를 찾기 위해 다른 셀이 계속해서 불려 다니다 보니 수명에도 급격한 손실이 생긴다. 낸드 플래시 메모리가 가진 또 하나의 약점은 바로 '수명'이다.


또 삭제 연산의 단위인 블록별로 지우기 횟수가 제한되어 있기 때문에, 손실이 크다. 블록을 지울 때 블록 주변의 데이터가 흐릿해지는, 즉 메모리 내의 특정 블록이 먼저 마모되어 전체 플래시 메모리가 사용 불가능해지는 경우도 발생된다. 


1999년에 120나노미터(nm)에서 시작된 낸드플래시 공정은 2013년에 10나노급 공정으로 들어서면서 좁은 면적 안에 집적도를 높이는 방법에 기술적인 한계가 발생하기 시작했다. 특히 셀과 셀 사이의 간격이 좁아지면서 간섭 현상이 일어나 데이터 손실이 발생할 수 있게 됐다. 마치 좁은 면적 안에 많은 집들이 모여 있으면, 옆집에서 발생한 소음이 이웃집에 그대로 들리는 것과 같이 셀 사이에도 비슷한 현상이 발생하는 것이다.  


이런 이유들로 인해 반도체 업계에서는 낸드 플래시의 단점을 극복시키려는 고민들이 있어왔고, 기존 단층으로 배열된 셀을 3차원 수직으로 적층하는 혁신적인 기술을 개발해 냈다. 이것이 바로 ‘3D 낸드 플래시’기술이다. 


3D 낸드 기술의 장점은 셀 사이의 간섭 영향을 대폭 줄여 셀 특성을 향상시켰고, 지속적으로 적층 단수를 높임으로써 데이터 용량 확대와 원가절감을 이룰 수 있다는 것이 장점이다. 쉽게 말해서 기존 낸드플래시가 일층 구조의 단독주택이었다면, 3D 낸드는 1세대 24층, 2세대 32층 구조의 고층 빌딩과 같다고 볼 수 있다. 따라서 셀 당 담을 수 있는 정보가 많아지면서 자연스레 더 작은 SSD에 더 높은 용량의 제품 구현이 가능해졌다. 


실제 3D 낸드를 모바일 기기에 채용할 경우 각 타임 슬롯의 내용을 통화 메모리에 순번으로 써넣는 시퀀셜 라이트(Sequential write)가 기존 64GB MLC 낸드 대비 50% 이상 개선돼 200MB/s의 높은 성능을 보이게 된다. 또 3D 낸드는 플로팅 게이트를 대신한 절연체를 사용함으로써 워드 라인 간의 간섭이 ‘0’에 가까워, 기존 낸드 대비 2배 이상 높은 신뢰성을 구현할 수 있게 됐다. 


그 결과 3D 낸드는 기존의 2D 낸드보다 셀 사이의 간섭 영향을 대폭 줄여 셀 특성을 향상시켰고, 지속적으로 적층 단수를 높임으로써 데이터 용량 확대 뿐 아니라 원가를 절감시킨 성과를 보이면서 차세대 메모리로 주목 받고 있다.


3D 낸드 구조


삼성전자 48단 3D 낸드 구조 (자료: techinsights)


3D 낸드 공정, 96단부터 어려워진다  


3D 낸드는 삼성전자가 2013년 업계 최초로 24단 제품 생산을 시작으로 현재 96단까지 기술을 개발한 상태다. 업계에서는 96단 이상에서부터는 3D 낸드 공정이 크게 어려워질 것으로 보고 있다. 96단 공정은 기존에 발표한 공정과 비교해 큰 변화가 따른다. 최초의 3D 낸드 공정 24단 이후 36단, 48단, 64단까지 발전하는 동안에는 기술상 큰 변화가 없었으나 96단부터는 공정의 어려움이 가중되면서 증착, 식각 관련 기술이 더 중요해졌다. 


3D 낸드를 만드는 공정은 삼성의 TCAT, 도시바의 BiCS, 마이크론/인텔의 플로팅 게이트(Floating gate) 등으로 업체들마다 상이하다. 삼성의 TCAT 구조의 경우에는 TaN, Al2O3, Si3N4, SiO2라는 셀 유형을 채택하고 있다. 이 구조를 만들기 위해서는 먼저 SiO2와 Si3N4를 원하는 층 수 만큼 반복해서 증착한다. 그리고 최상단에서 최하단까지 홀을 뚫는다. 그 다음 만들어진 홀의 벽면에 TaN, Al2O3 등 필요한 물질을 증착하고 필요 없는 부분을 식각하는 과정을 반복하면서 제품을 만든다. 전체 공정에서 가장 난이도가 높은 공정은 홀을 뚫는 공정이다.


그러나 SiO2와 Si3N4를 반복해서 증착하는 것도 쉽지 않다. 단 수가 낮을 때는 큰 문제가 없지만 64단 이상 높이가 올라갈 경우에는 반복해서 증착할 때 막질에 미세한 결함이 있으면 막질의 균일도가 위층의 막질에도 영향을 주는 문제가 발생할 가능성이 커진다. 즉, 단수가 높아질수록 오류가 발생할 수 있는 여지가 커지게 된다. 


이를 개선하기 위해 업계에서는 ‘더블 스태킹’ 기술을 개발했다. 더블 스태킹이란 전체 층을 절반으로 나눠서 쌓는 공정이다. 예를 들어 96단은 48단을 우선 쌓고 그 위에 절연층을 만들고 다시 48단을 올리는 방식이다. 128단은 64단을 두 번 쌓아서 만든다. 업계는 향후 더블 스태킹도 부족할 경우에는 3번 나눠서 쌓는 트리플 스태킹도 도입 고려 중이다. 반면, 더블 스태킹은 비용이 많이 들어간다는 단점이 따른다. 


따라서 메모리 업체들은 어렵고 수율이 낮아질 가능성이 있지만 제조비용이 적게 드는 싱글 스태킹을 채택할 것인지, 제조가 쉽지만 비용이 크게 올라가는 더블 스태킹을 적용할지 선택의 기로에 놓여있다.


▲ 삼성전자 128GB 모바일용 낸드


▲ 웨스턴디지털 250GB 3D 낸드 SSD


/이나리 기자(eled@hellot.net)

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